什么是第三代半导体？一文看懂车用、通信、充电通吃的杀手级应用

2021-04-14 11:29:15 来源：财讯（台）作者：林宏达

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▲第三代半导体应用商机起飞，通信、充电、车用三方通吃。

第三代半导体是目前高科技领域最热门的话题，不只中国大陆想要这个技术，从欧洲、美国到中国台湾，所有人都在快速结盟，想在这个机会里分一杯羹。为什么第三代半导体这么火热？它的应用与商机在哪里？

过去30年，台积电、联电擅长制造的逻辑IC，基本上都是以硅做为材料的。但硅也有一些弱点，如果用门做比喻，用硅做的半导体，就像是用木头做的木门，轻轻一拉就能打开（从绝缘变成导电）。

而第2代或第3代化合物半导体就像是铁门，甚至金库的大门，需要很大的力气，要施加大的电压，才能让半导体材料打开大门，让电子通过。因此，要处理高电压、射频信号，或是在信号的转换速度上，第3代半导体都优于传统的硅。

目前，坊间所称的第2代半导体，指的是砷化镓、磷化铟这两种半导体材料，「这是1980年代发展出来的技术。」而现在所称的第3代半导体，指的是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）这两种材料，「这是2000年之后才开始投入市场的新技术」。

尤其，第3类半导体并不好做，以通信芯片为例，要按照不同的通信需求，选择不同的材料，在原子等级的尺度下精确排好，难度有如给你各种不同形状的石头，堆出一座稳固的高塔，谁能用这些材料，生产出更省电、性能更好的晶体管，就是这个市场的胜利者。

目前，第3代半导体有3个主要应用市场。

应用1：射频通信如5G、卫星通信

第1，是将氮化镓材料用来制作5G、射频通信的材料（简称RF GaN）。过去20年，许多人想用成熟的硅制程，做出可以用在5G 射频通信上的零组件。

最有名的是高通在2013年推出的RF 360计划。当时，市场上的担心，高通这项新技术推出之时，就是生产通信用化合物半导体制造商的「死期」，稳懋股价还曾因此重挫。

结果，高通生产出来的硅芯片非常烫，完全没办法用在手机上；后来，连高通都回头跟稳懋下单。业界人士观察，通信会愈来愈往高频发展，未来射频通信芯片都是化合物半导体的天下，这个领域也是化合物半导体制造毛利率最高的部分，像稳懋和宏捷科的毛利都在3~4成。

应用2：低电压的电源供应器

第2个市场，是用氮化镓制造电源转换器（简称Power GaN），这是目前最热门的领域。过去生产相关产品，最难的部分是取得碳化硅的基板，一片6吋的圆片，要价高达2800美元，而如今已经完成了芯片刻录（5纳米）的12吋的硅晶圆，最贵的仅1600美元。

但近几年，市场上开始出现将氮化镓堆叠在硅基板上的技术（GaN on Si）。这种技术大幅降低化合物半导体的成本，用在生产处理数百伏特的电压转换，可以做到又小又省电。目前市面上已经可以看到，原本便当大小的笔电变压器，已经能做到只有饼干大小，OPPO、联想等公司，更积极要把这种技术内建在高端手机和笔记本电脑里。

3月1日，野村证券发表题为「A GaN Changer」的产业报告，认为未来2~3年，第3代半导体将重塑全球消费性电源市场，取代用硅制作的IGBT电源管理芯片。野村证券报告预估，2023年，这个市场产值每年将以6成以上速度成长。第3代半导体能源转换效率能达到95%以上，一旦被大幅采用，「台湾地区能省下一座核能电厂的电」。